применение моделей алисона-витали и титова

ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ АЛИСОНА-ВИТАЛИ И ТИТОВА-МАРИНИНА
ПРИ ОПИСАНИИ ПРОЦЕССА РАСТЯЖЕНИЯ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ
Курепин А.Е.
ОАО «Государственный научно-исследовательский институт
машиностроения им. В.В. Бахирева»
606002, пр.Свердлова, 11а, г.Дзержинск, Нижегородской обл.
niimash@mts-nn.ru
После создания гидродинамической теории кумуляции, объяснившей явление
формирования кумулятивной струи (КС) и пробития ею преград, возникла
необходимость расчета процесса растяжения КС во время ее движения к цели.
Для описания этого процесса применяют две модели. За рубежом разработана
так называемая модель «виртуального источника», впервые предложенная в 1957 году
[1] и сформулированная в 1963 году в [2] в виде нескольких гипотез, согласно которым
предполагается, что на Х–Т диаграмме процесса растяжения КС существует начальная
точка, где ее длина равна нулю, и из которой происходит ее автомодельное удлинение.
При этом считается, что в момент времени Tf, КС одновременно по всей длине делится
на фрагменты. Образовавшиеся фрагменты больше не растягиваются и движутся со
скоростями, которыми они обладали в момент разрыва. Модель названа по фамилиям
ее разработчиков F.E. Allison и R.Vitaly.
В этой модели максимальную эффективную длину КС (Lf), способную пробить
преграду, можно определить по формуле:
𝐿𝑓 = (𝑉𝑗𝑛 − 𝑉𝑐 ) 𝑇𝑓 ,
(1)
n
где V j - скорость головной части КС; Vc - минимальная скорость КС, при которой
преграда еще пробивается. Для идеально изготовленного КЗ величина Vc для КС,
фрагменты которой имеют только осевую составляющую скорости, зависит от
прочности материала преграды и плотности материала КС. Для реального КЗ величина
Vc определяется радиальной составляющей скорости хвостовых фрагментов КС,
размером входного отверстия и дальностью до преграды.
Для определения времени разрыва КС было предложено несколько аналитических
зависимостей. Среди наиболее известных полуэмпирических формул можно выделить
зависимости, предложенные в работах E.Hirsh [3] и G.Pfeffer [4]:
2𝑟
𝑇𝑓 = 𝑉 0
[3],
(2)
𝑝𝑙
𝑇𝑓 =
1.4
𝜂0
𝑟
+ 48.5 𝐶0
0
[4],
(3)
где r0 – радиус КС в момент начала ее растяжения, 𝑉𝑝𝑙 – имеющая размерность
скорости и зависящая от материала КС эмпирическая величина, η0 – начальная скорость
деформации материала КС, а с0 – скорость звука в материале КС.
На основе этой модели DiPersio, Simon, и Merendino в 1964 г получили
аналитические формулы, позволяющие рассчитать глубину пробития преграды
растягивающейся КС (так называемые зависимости DSM [5]).
Отечественные исследователи предложили и развивали модель, в которой
начальная форма КС имеет вид цилиндра или усеченного конуса, длина которого (L0) в
начальный момент равна длине образующей облицовки. В процессе движения длина
КС увеличивается. Причиной растяжения является наличие градиента скорости вдоль
КС. Процесс растяжения завершается после достижения величины предельного
удлинения.
𝑛пр =
𝐿𝑓
(4)
𝐿0
Впервые на то, что величина предельного удлинения КС зависит линейно от
величины градиента скорости вдоль КС, указал в своей кандидатской диссертации В.М.
Титов в 1960 г. Зависимость предельного удлинения КС от градиента скорости вдоль
КС исследовалась также П.И. Уляковым (1964 г.), Ю.И. Фадеенко и Л.А. Мержиевским
(1968 г.). Пропорциональность величины предельного растяжения КС градиенту
скорости и диаметру КС отметили в 1971 г Л.Л.Турок и А.А.Хоничев. Окончательный
вид этой зависимости разработал В.М.Маринин (1977 г.), который представил величину
предельного удлинения КС 𝑛пр в виде (5):
𝑛пр = 𝑛1 + 𝑛2 𝑟0
где
𝑑𝑉
=
𝑑𝑋
(𝑉𝑗𝑛 −𝑉𝑗𝑡 )
𝐿0
𝑑𝑉
𝑑𝑋
,
(5)
– начальное значение градиента скорости по длине КС, r0 и L0 –
начальные радиус и длина
КС; n1, n2 – экспериментальные коэффициенты,
характеризующие материал КС. При этом для ряда металлов были определены
значения коэффициентов n1, n2. С тех пор вид зависимости (5) уже не менялся, а по
мере необходимости при замене материала кумулятивной облицовки пополнялся набор
коэффициентов, определяющих предельное удлинение КС [6].
Если придерживаться неформальных традиций присваивать моделям
физических процессов две фамилии – человека, впервые предложившего модель, и
давшего ее окончательную формулировку, эту модель можно назвать моделью Титова –
Маринина.
Совместное применение моделей Алисона – Витали и Титова – Маринина
позволяет определять время разрыва КС и ее эффективную длину без введения
эмпирических формул, определяющих время фрагментации. Величина времени
разрыва КС и зависящая от нее эффективная длина КС в (1) будет определяться по
значению констант n1, n2, начальному радиусу и длине КС:
𝑇𝑓 =
𝐿𝑓
𝐿0
(𝑉𝑗𝑛 −𝑉𝑐 ) 𝐿0
=
𝐿0
(𝑉𝑗𝑛 −𝑉𝑐 )
𝑛пр =
𝐿0
(𝑉𝐽𝑛 −𝑉𝑐 )
(𝑛1 + 𝑛2 𝑟0
(𝑉𝑗𝑛 −𝑉𝑗𝑡 )
𝐿0
).
(6)
Для оптимально спроектированного кумулятивного заряда значение 𝑉𝑐 ≈ 𝑉𝑗𝑡 . В
результате формулу (6) можно представить в более простом виде, а именно:
𝑇𝑓 = (
𝐿0 𝑛1
(𝑉𝑗𝑛 −𝑉𝑗𝑡 )
+ 𝑛2 𝑟0 ),
(7)
что практически совпадает с видом полуэмпирической зависимости (3).
В докладе дано сравнение результатов оценок времени фрагментации КС,
полученных при использовании разных моделей процесса ее растяжения.
Список литературы
1. Allison F.E and Bryan G.M. Cratering by a Train of Hypervelocity Fragments. / Proc.
Second Hypervelocity Impact Effects Symposium, vol.1, p.81, December 1957.
2. Allison F.E and Vitaly R. BRL, Report №1184, 1963.
3. Hirsh E. A Formula for the Shaped Charge Break-up Time // Propellants and Explosives. –
1979. – V.4, №5. – Р.89 – 94.
4. Pfeffer G. Determination par Simulation Numeriques de L`etat et des Lios de
Fragmentation des Jets de Charges Creusses / Proc. 5th Int. Symp. on Ballistics. Toulouse,
France, April 16 – 18, 1980.
5. W.P. Walters and J.A. Zukas Fundamentals of Shaped Charges. – JOHN WILEY & SONS,
New York. – 1989. – 398p.
6. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. – Изд.3-е, переработанное. В 2т Т.2. – М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2002.- 656с.